并发编程 Semaphore

本文将介绍并发编程中的 Semaphore 概念。

一、什么是 Semaphore？

Semaphore，信号量，它是并发编程中除管程外的另一个共享资源访问控制模型。

二、信号量模型

1. 信号量模型

信号量模型可以简单概括为：

  • 一个计数器

  • 一个等待队列

  • 三个方法（外界可访问的 API）：

    • init()：设置计数器的初始值

    • down()：计数器值减 1，若此时计数器值 < 0，则当前线程阻塞，否则可以继续执行

      在 JUC 中，该方法对应 acquire()

    • up()：计数器值加 1，若此时计数器值 <= 0，则唤醒等待队列中的一个线程

      在 JUC 中，该方法对应 release()

2. 信号量模型的理解

  • 每个希望访问资源的线程都会调用 down() 方法将计数器值减 1，并且在执行完成后才会调用 up() 方法将所减值还原，因此，被减去的值就是 正在等待线程数 + 正在执行线程数
  • 计数器值是允许同时访问的最大线程总数
  • 计数器值 - 被减去的值 表示还可以访问的线程数量
  • 执行 down() 方法，
    • 发现计数器值小于 0 时，说明同时访问线程数已超出，应该阻塞等待
    • 发现计数器值大于 0 时，说明同时访问线程数未超出，可以访问
  • 执行 up() 方法，如果发现计数器值 <= 0，说明还有线程正在阻塞等待，因此将等待队列中的线程唤醒，使其执行

3. 简单示例

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static int count;

// 初始化信号量
static final Semaphore s = new Semaphore(1);

// 用信号量保证互斥    
static void addOne() {
	s.acquire();
	try {
    	count++;
  	} finally {
    	s.release();
  	}
}

4. 限流器示例

信号量模型的特点是它可以允许多个线程访问同一个临界区。因此，我们可以利用信号量模型，构造一个 “仅允许 N 个线程同时访问” 的限流器。

下面是一个利用信号量模型实现的 “限流” 对象池：

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class ObjPool<T, R> {
    
  	final List<T> pool;
  
    // 信号量
  	final Semaphore sem;
    
  	// 获取对象并调用
  	R exec(Function<T,R> func) {
    	T t = null;
    	sem.acquire();
    	try {
            t = pool.remove(0);
        	return func.apply(t);
    	} finally {
      		pool.add(t);
      		sem.release();
    	}
    }
}

参考

  • Java 并发编程实战